不銹鋼纖維力學(xué)性能及表面形貌的影響研究

姜飛龍，張國朋，許佩敏，段博譯

（西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司，陜西西安 710000）

不銹鋼纖維屬于一種新型的工業(yè)應(yīng)用材料，包括304、316、316L、310S 等多種材質(zhì)，具有強度高、導(dǎo)電性好、耐高溫、耐腐蝕等多種優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于化工、電子、航天等領(lǐng)域[1]。316L 不銹鋼纖維是其中一種常用的材料，目前主要由集束拉拔而成，絲徑可達(dá)μm 級別，具有耐高溫、耐腐蝕性等優(yōu)良性能，可以應(yīng)用在耐腐蝕領(lǐng)域[2]，且具有非金屬纖維所具有的粘合性、柔軟性等性能，更加提升了其在各行各業(yè)的應(yīng)用價值[3]。集束拉拔作為生產(chǎn)316L 不銹鋼纖維的主要生產(chǎn)技術(shù)，大大提高了不銹鋼纖維的生產(chǎn)效率[4]，但是，隨著工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對不銹鋼纖維力學(xué)性能要求也越來越高，因此生產(chǎn)細(xì)規(guī)格絲徑和高性能不銹鋼纖維已經(jīng)是近些年來主要的研究目標(biāo)[5]。周照耀等[6]發(fā)現(xiàn)在復(fù)合材料中，隨著不銹鋼纖維體積含量的上升，可以有效的阻止裂紋在復(fù)合材料中的傳播。SHAJARI S 等[7]采用碳納米管（CNT）聚丙烯納米復(fù)合材料為基體，不銹鋼纖維作為納米復(fù)合材料的增強材料，雜化形成納米復(fù)合材料，增強了其力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。QuanD 等[8]在CFRP 中添加不銹鋼纖維，可以提升CFRP 的斷裂韌性，TalonenJ 等[9]研究了應(yīng)變速率會影響不銹鋼馬氏體的轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能，Takemoto T 等[10]研究了熱處理對不銹鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，楊春雷等[11]發(fā)現(xiàn)在不銹鋼絲拉拔過程中,鋼絲的硬度沿鋼絲表面至中心呈增加趨勢，高亞男[12]的研究表明拉拔工藝對不銹鋼/銅/碳鋼復(fù)合有較大影響。王賓寧等[13]發(fā)現(xiàn)隨著拉拔的進(jìn)行，不銹鋼絲徑減小，其抗拉強度會得到提升。孫海忠等[14]對不同的不銹鋼絲徑采用不同的退火溫度進(jìn)行拉拔，并分析了表面形貌和性能。但是上述研究均基于不銹鋼絲或纖維為基礎(chǔ)，做成復(fù)合材料進(jìn)行研究，或不銹鋼纖維絲徑規(guī)格較粗，未能拉拔至絲徑0.006mm 規(guī)格，因此基于以上研究與分析，退火參數(shù)和加工率是影響纖維力學(xué)性能的主要因素[15]。在不同的溫度以及保溫時間下，不同絲徑具有自身最優(yōu)的工藝參數(shù)值[16]。因此選取合適的加工率和退火參數(shù)，對細(xì)規(guī)格不銹鋼纖維力學(xué)性能具有很大的影響。本研究通過改變加工率、退火溫度和退火時間，研究不銹鋼纖維力學(xué)性能的變化規(guī)律，得出適合生產(chǎn)力學(xué)性能優(yōu)異不銹鋼纖維的工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用316L 不銹鋼絲，通過集束拉拔，將不銹鋼纖維絲徑拉至0.006mm，作為研究對象，其主要化學(xué)成分含量如表1 所示。

表1 316L 不銹鋼絲化學(xué)成分 ωB/%

采用單因素實驗，分別研究加工率、退火溫度和退火時間對纖維力學(xué)性能的影響。為更加與生產(chǎn)實際相結(jié)合，退火溫度范圍選為800～880℃，加工率選為73.52%～95.65%，退火時間選為0.5～2.5 min,將加工率、退火參數(shù)試驗值設(shè)置如表2 所示。

表2 試驗參數(shù)值

采用電子單纖維強力機進(jìn)行纖維力學(xué)性能測試，測試內(nèi)容為纖維的斷裂強力和斷裂伸長率，測試方法為每組試驗選取20 根纖維進(jìn)行測量，對測量結(jié)果求得平均值作為試驗結(jié)果，通過電子掃描顯微鏡對纖維表面進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 加工率對纖維力學(xué)性能及形貌的影響

以316L 不銹鋼絲為研究對象，纖維絲徑拉至0.006mm，退火溫度選用880℃，退火時間為2 min，加工率依次選取73.52%、78.39%、82.86%、86.07%、88.60%、90.20%、91.70%、92.97%、95.65%，試驗結(jié)果如下。

圖1 纖維力學(xué)性能隨加工率變化規(guī)律

從圖1a、b 中可以看出，在退火溫度為880℃，退火時間為2min 時，在加工率由73.52%到91.70%過程中，纖維斷裂強力由1.9cN 提高到3.3cN，纖維斷裂伸長率由0.55%提升到0.7%。斷裂強力和斷裂伸長率隨著加工率的提高而提高，這是因為，纖維拉拔是奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程，奧氏體提升材料的塑變能力，而馬氏體提升材料的抗拉強度。因此隨著拉拔的進(jìn)行，不銹鋼纖維中的馬氏體越來越多，纖維的抗拉強度提升，纖維越不容易斷裂，因此，纖維的斷裂能力和斷裂伸長率也越來越大。當(dāng)加工率達(dá)到91.70%以后，在該退火溫度和時間下，隨著纖維拉拔的進(jìn)行，纖維中的奧氏體與馬氏體轉(zhuǎn)變達(dá)到極限值，馬氏體不再增多，因此，纖維斷裂強力和斷裂伸長率也不再增加。

將上述工藝?yán)纬龅睦w維，通過掃描電鏡分析表面形貌，如圖2 所示，在加工率為73.52%和91.70%時，纖維表面有拉拔凹槽，表面凸起較少，當(dāng)加工率為95.65%時，纖維表面除有凹槽外，還有部分凸起顆粒。纖維表面形貌出現(xiàn)凹槽的主要原因和加工過程關(guān)系比較大，由于纖維生產(chǎn)過程采用的是集束拉拔，在拉拔過程中，纖維與纖維之間存在擠壓，多根纖維在相互擠壓之下，就出現(xiàn)了一條條的線型凹槽；而在加工率為95.65%時，纖維相互擠壓過很，在纖維表面形成無規(guī)律小顆粒。

圖2 不同加工率下纖維表面形貌

2.2 退火參數(shù)對纖維力學(xué)性能及表面形貌的影響

2.2.1 退火溫度對纖維力學(xué)性能的影響

由于加工率在91.70%～95.65%之間，纖維斷裂強力和斷裂伸長率已不發(fā)生變化，因此本次試驗加工率選取為95.65%，最大化的避免加工率對纖維斷裂強力和斷裂伸長率的影響。退火時間為2min，退火溫度依次選取800℃、820℃、840℃、860℃、880℃，試驗結(jié)果如下。

從圖3a 中可以看出，退火溫度由800℃提高到880℃，斷裂強力在3.3cN 附近基本無變化。圖3b 中，斷裂伸長率在0.7%附近無變化，這是因為在800～880℃之間，纖維中馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變達(dá)到最大，隨著溫度提升，奧氏體向馬氏體不再轉(zhuǎn)變。

圖3 纖維力學(xué)性能隨退火溫度變化規(guī)律

2.2.2 退火時間對纖維力學(xué)性能的影響

加工率選取為95.65%，退火溫度選取為880℃，為研究退火時間對纖維斷裂強力和斷裂伸長率的影響規(guī)律，退火時間選取為0.5min、1min、1.5 min、2min、2.5min，試驗結(jié)果如下。

從圖4a 中可以看出，退火時間為2min 時，不銹鋼纖維的斷裂強力為3.3cN。圖4b 中，斷裂伸長率為0.7%，在退火時間為1min、1.5min 和2.5min時，纖維力學(xué)性能和退火時間2min 時相比，變化不明顯。但當(dāng)退火時間為0.5min 時，不銹鋼纖維的斷裂強力為4.3cN，斷裂伸長率為1.0%，相較于退火時間2min，纖維的斷裂強力和伸長率得到較大提升。因此退火時間對纖維的力學(xué)性能影響較大，為后續(xù)深入研究退火參數(shù)對不銹鋼纖維力學(xué)性能的影響提供了一定的參考價值。

圖4 纖維力學(xué)性能隨退火時間的變化規(guī)律

2.2.3 退火參數(shù)對纖維表面形貌的影響

將退火溫度、時間不同情況下得到的兩種纖維，進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)二者表面形貌變化不大，都存在條狀凹槽和部分顆粒，改變退火溫度和時間，纖維表面形貌變化不明顯。

3 結(jié)論

（1）退火溫度和退火時間一定時，在加工率為91.70% 之前，纖維力學(xué)性能與加工率正相關(guān)，在加工率達(dá)到91.7% 以后，纖維力學(xué)性能幾乎無變化。

（2）加工率和退火時間一定時，在退火溫度800～880℃范圍內(nèi)，纖維力學(xué)性能受退火溫度變化影響較小。

（3）加工率和退火溫度一定時，相較于退火時間2min，采用退火時間0.5min，纖維斷裂強力由3.3cN 提升到4.3cN，斷裂伸長率由0.7%提升到1.0%，力學(xué)性能提升較明顯。

圖5 不同退火參數(shù)下纖維表面形貌

（4）纖維在集束拉拔過程中，纖維表面會形成條狀凹槽，當(dāng)加工率過大時，纖維表面會有顆粒出現(xiàn)。改變退火參數(shù)，纖維表面形貌變化不明顯。

（5）不銹鋼纖維拉拔過程中的加工率和退火參數(shù)對纖維力學(xué)性能的影響規(guī)律，對后續(xù)生產(chǎn)不同性能的纖維具有重要的指導(dǎo)意義。